MXene气体传感器的最新进展：合成、复合材料与传感机制

气体传感器在环境监测、工业安全、医疗诊断和智能设备等诸多领域发挥着重要作用。传统的气体传感材料，例如金属氧化物半导体（MOS）、导电聚合物和碳基纳米材料，通常需要较高的工作温度，或存在选择性差、长期稳定性有限等问题。近年来，二维（2D）材料因其独特的物理化学性质而备受关注，尤其在室温气体传感应用中展现出巨大潜力。其中，MXene（一类二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，通式为Mₙ₊₁XₙTₓ）已成为极具前景的候选材料。MXene通过对MAX相进行选择性刻蚀制备而成，兼具金属导电性、大比表面积、亲水性以及可调控的表面化学性质。这些特性赋予MXene优异的电子传输能力、丰富的活性位点和强大的气体-表面相互作用能力，使其对于开发可在室温工作的高性能气体传感器特别有吸引力。

近期，韩国世宗大学（Sejong University）的研究团队针对基于MXene的气体传感器的研究进展进行了综述分析，重点介绍了MXene气体传感材料的最新进展，涵盖其合成策略、结构-性能关系以及在原始态和复合态下的应用；讨论了传统的氢氟酸（HF）刻蚀和近年来出现的无氟MXene合成方法；分析了原始MXene和MXene复合材料的传感性能，以及潜在的传感机制；最后，探讨了MXene气体传感器当前面临的挑战，并对未来发展方向进行了展望，重点聚焦于提升下一代气体传感平台的灵敏度、选择性和环境稳定性。相关研究内容以“Recent advances in MXene gas sensors: synthesis, composites, and mechanisms”为题发表在npj 2D Materials and Applications期刊上。

图1 基于MXene的气体传感器

MXene的合成与性质

MXene通常通过从层状三元MAX相（Mₙ₊₁AXₙ）中选择性刻蚀A元素制备而成，其中M代表前过渡金属，A为IIIA或IVA族元素，X表示碳和/或氮。生成的二维材料Mₙ₊₁XₙTₓ继承了层状形貌、金属导电性和化学活性表面，表面以-OH、-O或-F基团为端基。这些表面基团对气体吸附行为和电子性质有显著影响，因此在气体传感中起着关键作用。

氢氟酸（HF）刻蚀是从MAX相前体合成MXene最传统且应用最广泛的方法。然而，含氟官能团的存在可能会影响电子相互作用和生物相容性，这促使近年来研究人员开始探索无氟合成策略。无氟策略不仅消除了有毒副产物，而且扩大了前体选择，增强了MXene的稳定性，并允许对表面化学进行精确控制，为更安全和更通用的MXene应用奠定了基础。

图2 MXene无氟和卤素基合成路线及其合成的形貌

基于MXene的气体传感器

MXene兼具高金属导电性、可调控表面化学性质和层状二维形貌，使其在气体传感（尤其是室温气体传感）中极具吸引力。根据构型不同，MXene可直接以原始态使用，或与其它功能材料结合以提升性能。

（1）原始MXene

原始MXene，尤其是Ti₃C₂Tₓ和Ti₂Cₜₓ，因其高电导率、表面官能团以及室温工作能力，已展现出可观的气体传感潜力。然而，其气体传感行为常偏离传统半导体模型，响应机制主要由层间相互作用和吸附诱导的电子调制主导。

图3 Ti₃C₂Tₓ MXene传感器的气体传感性能及机制

（2）基于MXene的复合材料

基于MXene的复合材料主要包括与金属氧化物（MOS）、过渡金属二硫化物（TMD）、还原氧化石墨烯（rGO）、导电聚合物等材料的复合。MXene/MOS复合材料是一类极具前景的材料，能够在室温下运行，其结合了MXene的导电性和表面功能化与MOS的气体反应特性；MXene/TMD复合材料是将MXene与TMD（例如MoS₂、WS₂等）结合，通过形成导电异质结构，整合了TMD的化学敏感性与MXene的高电荷迁移率和表面活性；MXene/rGO异质结构的形成有效抑制了MXene片层的重堆积，增强了气体扩散路径，并提供了丰富的气体吸附活性位点；MXene/导电聚合物复合材料通过结合MXene的高比表面积和电子导电性与聚合物的机械柔性和化学可调控性，提升了对气体的响应性能。

图4 Ti₃C₂Tₓ MXene/GO/CuO/ZnO纳米复合材料传感器的室温氨气（NH₃）传感性能

图5 基于Ti₃C₂Tₓ/MoS₂纳米复合材料的柔性丙酮传感器，具有应变耐受性和呼吸生物标志物辨别能力

图6 rGO/Ti₃C₂Tₓ异质结构传感器的二氧化氮（NO₂）传感性能及机制

图7 方石聚合物插层Ti₃C₂Tₓ MXene混合传感器的氨气（NH₃）传感性能

传感机制

MXene的气体传感行为主要由表面吸附诱导的电导率变化主导。传统的金属氧化物传感器遵循成熟的n型或p型半导体机制，而MXene的气体响应则呈现出更复杂且有时反直觉的模式，这通常与其金属或混合电子特性、层间结构和多样的表面端基有关。

（1）原始MXene

原始MXene表现出非常规的气体传感行为，与经典半导体的典型响应模式明显不同。以Ti₃C₂Tₓ为代表的材料，对还原性和氧化性气体并非表现出相反的电响应，而是无论气体类型如何，往往均呈现电阻持续增加的特性。这种现象源于MXene固有的金属或半金属性质及其高度相互作用的表面，导致气体暴露过程中出现复杂且非线性的电荷传输调制。

这些机制共同凸显了原始MXene中气体传感的复杂性。其行为无法用简单的半导体模型充分描述，而需要对表面化学、结构动力学和缺陷介导的相互作用有详细理解。这种多因素响应框架使MXene能够以高度可调的灵敏度和选择性检测广泛的分析物，使其在新兴气体传感材料中占据独特地位。

（2）基于MXene的复合材料

将MXene融入杂化材料体系，已成为通过界面工程、电荷再分布和功能集成提高气体传感性能的有效策略。无论与MXene结合的具体材料是金属氧化物、层状二硫族化合物、碳基结构还是聚合物，这些复合材料通常都表现出超越各单独组分局限性的协同行为。基于MXene的复合材料的潜在气体传感机制由一系列相互关联的因素主导，包括电子结构调制、载流子传输动力学、表面化学和形貌稳定性。

基于MXene的复合材料的传感行为不仅取决于组成材料的本征性质，更重要的是取决于它们之间的界面耦合特性。电子能带排列、表面官能团的密度和分布以及跨相的结构一致性程度等因素均对最终的传感器性能有影响。考虑这些参数的合理设计方法，有望开发出具有精细可调响应曲线、对特定气体高选择性且能在广泛环境条件下稳定工作的基于MXene的复合传感器。

挑战与展望

尽管MXene气体传感器在实验室环境中表现出良好性能，但在实际应用中，在提高长期稳定性、理解复杂环境中的传感机制以及实现可扩展的绿色合成等方面仍面临挑战。为了克服这些局限性并充分发挥MXene在气体传感中的应用潜力，未来的研究重点应聚焦于：设计抗氧化MXene衍生物，包括具有本征耐湿性的合金化或掺杂MXene；建立加速稳定性测试、滞后量化和寿命预测的标准化协议；优化绿色可扩展合成工艺，减少对有毒刻蚀剂的依赖，实现大批量制备的重现性；将MXene集成到多功能柔性传感器阵列中，结合实时人工智能（AI）辅助信号分类，实现环境条件下的选择性、漂移补偿和低功耗检测。